机器人是先进制造业的关键支撑装备，其研发及产业化应用是衡量一个国家科技创新和高端制造能力水平的重要标志，同时也将极大地改进人类的生产生活方式。随着《中国制造2025》、《机器人产业发展规划（2016-2020年）》的相继发布，机器人产业已被我国列为重点发展领域，其发展对于打造中国制造新优势、助推工业转型升级、加快制造强国建设、改善人民生活水平具有重要意义。但同时我们也应清醒地看到，我国在传统工业机器人领域，面临产业链关键环节缺失、核心技术创新能力薄弱、产品市场占有率低、应用局限等诸多瓶颈问题，处此困境，我们该何去何从？镁伽机器人（MegaRobo Technologies, Inc.）联合创始人乔志新撰文，通过行业宏观统计数据和国内外典型企业、产品的分析对比，论证了研发轻量级、易操作、智能化、安全系数高的协作机器人的必然性和可行性，并结合协作机器人的关键技术发展趋势及产品化设计方向，提出以协作机器人为突破点，助力中国机器人产业腾飞的合理化方案。
机器人制造业是智能制造产业的重要组成部分，是具有前瞻性、战略性的高技术领域。自1954年世界上第一台机器人诞生以来，主要工业发达国家已建立起完善的工业机器人产业体系，在核心技术与产品应用上占据先发优势和领先地位，并形成了少数几个具有行业垄断地位的龙头企业。我国机器人研发始于20世纪70年代，起步晚，技术成熟度不高，中高端产品缺乏，市场占有率低。近五年，全球工业机器人年均销量增速超过17%，2014年销量达到22.9万台，同比增长29%。目前，全球制造业机器人密度（每万名工人使用工业机器人的数量）为66台，其中工业发达国家机器人密度普遍超过200台。我国机器人密度虽已由5年前的11台增加到目前的36台，但仍未达到世界平均水平，更远远落后于发达国家。
目前，中国共有约800多家涉及机器人生产的企业，但大多为国外产品的集成和服务代理，与机器人本体研制有关的企业不超过100家，拥有自主知识产权的不到60家。截止2014年7月份，机器人产业“四大家族”（ABB、KUKA、FUNAC、YASKAWA）在中国共申请专利10134项，这使得中国自主研发机器人面临诸多限制和不确定因素。伺服电机、减速机、控制器这三大传统工业机器人的核心部件，一直是国内机器人产业难以突破的难关。而国产核心部件性能低、国产化难等问题，也直接导致我国机器人产业陷入国内市场增长越快，空心化越严重的尴尬境地。以减速机为例，传统工业机器人使用的减速机主要为Nabtesco公司生产的RV减速机和Harmonic公司生产的谐波减速机，这两家公司是全球最大的减速机生产商，占据了全球70%以上的市场份额。2015年，我国工业机器人销售量约6.4万台，产量约2万台，其中，国产高端六轴机器人仅有约2000台。整个国内机器人市场份额70%以上被“四大家族”占据，全部国产机器人企业加在一起的市场占有率仅为5%。考虑到三大核心部件约占机器人生产成本的近一半，国内生产商所能获得的利润可想而知。
有统计数据显示，目前我国使用的传统工业机器人，88%应用于搬运及上下料、焊接与钎焊、装备及拆卸领域；汽车、电气机械制造、设备制造、橡胶和塑胶制造业、金属制品业是工业机器人应用最多的行业，占整个工业机器人市场份额的76%。应用领域和行业的高度集中，也从一个侧面反映了我国在机器人应用方面的局限性。
2014年，全球工业机器人销售量约23万台，其中汽车行业包揽10万台，占43.5%，第二大行业是电子，接下来依次是金属、橡胶、食品，其余行业对工业机器人的应用少之又少。显然，传统工业机器人并非在所有行业都能大展拳脚，而在应用上的局限性也是由其先天特点所决定：
1、感知与认知功能缺失，只能完成一些简单重复作业，无法满足更为复杂、智能的操作需求。
2、初期安装调试难、后期产线调整周期长，不能很好地适应小批量、多品种的柔性制造要求。
3、体积大、重量大、安全性差，通常需要独立工作空间，实现人机协作面临诸多困难。
4、造价与改造升级成本昂贵，令资金并不那么充足的中小制造企业望而却步。
当前，我国劳动力成本快速上涨，人口红利逐渐消失，生产方式向柔性、智能、精细转变，构建以智能制造为基本特征的新型制造业体系迫在眉睫；同时，老龄化社会服务、医疗康复、救灾救援、公共安全、教育娱乐、重大科学研究等领域对服务机器人的需求也呈现快速增长势头。由于不适应我国经济与社会变化发展的新趋势、新需求，加之行业先天发展不足，传统工业机器人显然不是中国机器人产业寻求突破与超越的切入点。
相对于传统工业机器人，协作机器人重量轻、灵活度高、移动方便，且能通过重新编程及时更新任务，可用于小批量加工生产，帮助企业有效应对短期生产挑战。未来，具备感知与认知能力，轻量级、易操作、智能化、安全性强的协作机器人将逐步成熟，成为下一代工业机器人的主力军。
随着科学技术的不断进步，产品生命周期越来越短，用户个性化定制趋势也日益凸显。目前，电子产品生命周期不超过2年，汽车生命周期也由5年缩短至3年。在此情势下，很多企业都无法忍受以月计的产线调整周期，对灵活、快速的生产单元需求必然日趋旺盛，特别是3C（计算机、通讯和电子产品）、制衣制鞋、食品、医药等行业。这些行业产品更新速度快、制造工艺复杂，与其庞大的企业数量相比，机器人的应用简直少得可怜。同时，对于占据全球制造业70%的600万家中小制造企业而言，协作机器人也是产线升级改造的最佳方案。据英国市场调研机构Technavio预测，未来5年（2015～2020年），全球协作机器人的年复合增长率为50.88%，销售额预计增长10倍，由2014年的近9500万美元上升到10亿美元。未来，协作机器人的研发与应用将有四大趋势：
1、双臂协作机器人。无论是在制造业生产，还是日常生活中，很多操作设施设备都是基于人类拥有双臂的生理特征设计或发展出来的。要想让协作机器人能替代人完成更多工作，首先要解决机械臂的数量问题，其次是双臂的协作，其难点在于模型设计复杂，运算量巨大，实时性要求更高。
2、机器视觉系统。该系统可解决图像识别、定位、高精度定量检测、定性检测等问题，为机器人提供更多可供判断决策的信息，同时，配合深度学习算法，还能让机器人逐步替代人完成高重复性、智能性工作。譬如，应用图像识别技术，完成工件在线缺陷检测和挑拣。除了识别各种被操作对象以外，机器视觉还能为人机协作、多机协作提供闭环反馈。
3、语音识别与语义分析系统。人机协作困难关键在于人、机无法沟通，传统生产线上，工人之间不仅是按照固定工艺完成工作，同时也需要通过语言沟通交流异常状况、进度、结果等信息。语音识别与语义分析技术的发展，将使协作机器人能够与人完成简单交流，以实现更好的协作。
4、从工业生产走向家庭服务。协作机器人在满足柔性生产需求的同时，也可应用于家庭生活，帮助人们完成一些简单、重复的工作。试想一下，早晨起床，你可以吩咐协作机器人冲一杯咖啡，待梳洗完毕准备用餐时，协作机器人已经把冲调好的香浓咖啡送到你面前，并祝你“用餐愉快”。也许不用太久，这些曾经出现在科幻电影中的场景将会真实地发生在你的生活中。
与传统工业机器人的寡头垄断不同，协作机器人领域尚处在“战国时代”，国际同行业者基本处于起步阶段。2005年成立于丹麦的Universal Robotics（优傲机器人）公司是协作机器人研制的杰出代表，但其关键技术和系统架构仍未完全脱离传统工业机器人的窠臼；近5年来，Baxter（Rethink，美国）、YuMi（ABB，瑞典）、Nextage（川田工业，日本）等新型协作机器人，可谓是“你方唱罢我登场”，但都没有形成规模应用，有关产品的性能尚待市场检验。
ABB首款协作机器人Yumi
协作机器人虽然同样依赖工业机器人的三大核心部件，但是，由于应用场景不同以及控制技术的快速发展，其对三大核心部件的要求与传统工业机器人并不完全一致。仍以减速机为例，鉴于在起重量的指标要求上，协作机器人比传统工业机器人低，产品设计上，可以考虑按照硬件软件化的思路，通过改进现有减速机的整体设计及增加闭环反馈机制，从系统层面解决运控精度问题。同时，还可以通过运用新的替代材料，减轻减速机重量，以提高负载自重比。此外，除了传统的三大核心部件，智能化、信息化也是协作机器人的两大核心关键特性。而在这两方面，国外工业机器人生产商尚未占据垄断统治地位，借助在人工智能、信息化等领域较好的技术积累和人才储备，中国企业完全具备同国外企业一较高下的能力。因此， 作为机器人产业的后来者，协作机器人的研发与应用，是中国企业实现比肩超越的一个重要突破口。
尽管协作机器人具有十分广阔的发展空间和前景，但中国企业要想设计研发出符合未来市场需求的优质产品，确保在血腥的市场竞争中占据一席之地，还必须脚踏实地，攻关克难，勇闯五关。
1、系统架构设计。合理的系统架构设计本身就是一种核心竞争力。要谋得先机优势，必须聚焦以下几个方面的设计与研发：
一是总线型分布式计算。将机器人系统控制与关节控制分离，利用成熟的总线通讯方式，分散计算工作量，提高系统运行速度，提升系统模块化、标准化水平，增强产品应用的可扩展性。
二是软件平台。基于Linux系统技术，利用其开源、高效、安全的特性，进行机器人操作系统（ROS）的深度挖潜与定制开发，以满足多样化的市场需求。
三是模块化设计。对机器人的关节、控制器、结构件等部位的零散部件进行打包设计，形成一个功能模块化的整体部件，以简化系统设计难度，增强系统稳定性，降低部件成本，并为机器人的持续优化改进提供良好的基础。
四是平台化。在系统设计模块化的基础上，构筑产品技术平台，根据客户与市场的要求，加速推进产品的系列化，以不断扩大应用范围和领域。
五是界面开放。摒弃系统封闭的传统做法，全面开放远程式控制、数据存取、状态监控、主动错误报告等界面，以便于第三方对产品的集成使用和二次开发，更好地适应柔性生产环境。
2、控制算法。六轴以上的机器人，运动过程计算量巨大，控制算法的优劣至关重要，其不仅决定着机器人系统的运动精度，也对系统稳定性有很大影响。在逆运动学解算方面，运用FPGA加速，可在保持计算精度不变的情况下，有效降低平均解算时间（小于5ms），使机器人动作的灵敏度提高一倍，这在快速反应场景中具有广阔的应用前景。在电机控制方面，可根据机器人系统大惯性、非线性、强干扰等特点，采用模糊PID控制算法，以增强机器人动作的稳定性。
3、安全性能。强调人机协作，是协作机器人与传统工业机器人一大显著区别，这对机器人的安全性提出了更高要求。机器人制造企业应在产品设计阶段，从碰撞检测、漏电保护、热设计、电磁辐射等方面入手，全方位提升机器人产品的安全性和可靠性。同时，还应增加主动故障检测功能，以防患未然，从根本上杜绝生产事故的发生。
4、人工智能。人工智能是扩展机器人应用领域的重要切入点。如，借助双目摄像头，可以完成对被操作对象的测距、定位、识别、在线检测，以获得更高级的处理功能；借助语音识别与语义分析技术，可以通过人机交互，完成对机器人的有效控制，提高产品的易用性，降低使用门槛。人工智能发展迅速，应用场景存在巨大想象空间，未来将给机器人的研发带来无限可能。
5、智能制造系统融合。无论是传统的工业机器人，还是新兴的协作机器人，都脱离不了与信息化技术的融合。2013年10月，库卡与西门子宣布开展业务合作，其目标就是将库卡机器人系统完全集成到西门子的产品生命周期管理软件（PLM）中。中国机器人产业同样面临将机器人系统接入制造执行系统（MES），或产品生命周期管理软件（PLM）的问题，但目前市面上的MES、PLM系统过于庞大，售价和实施费用动辄上百万，有的甚至高达上千万。巨大的成本代价，使智能制造升级无法惠及那些资金并不充裕的中小型企业。随着生产方式向柔性、智能、精细转变，一个大工厂将被拆分为多条精益生产线，以适应灵活多样的生产需求。以单条生产线作为基本生产单元，以机器人为关键部件，构建低成本、灵活小型的自动化解决方案，将能真正解决智能制造系统融合上的“最后一公里”问题。
未来，机器人在人类社会各个领域的广泛应用将不再是科幻，而必将是一个确定且真实的存在。从某种意义上讲，谁掌握了机器人产业发展的主导权，谁就抓住了主宰人类前途命运的权柄。当前，世界机器人产业正处于由传统工业机器人向协作机器人的过渡演进阶段。这是一个新旧转换的时代，也是群雄并起、逐鹿中原的时代，中国机器人产业要想谋取一席之地，甚至独占鳌头，需要的是展望未来的深邃眼光和布局筹谋的过人智慧。很显然，继续停留在旧时代，与各路“豪强”打“堂堂之战”，拼个你死我活并非明智之举，唯有善用已经积蓄起来的后发优势，避实击虚，把握新兴协作机器人产业尚未形成技术壁垒的有利窗口期，杀开一条血路，才能实现真正意义上的跨越发展、“弯道超车”，进而催生中国机器人产业的强势崛起！
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